1. はじめに 近年，舶用機関の排ガス規制が強化され，窒素酸化 物(NOx)や，地球温暖化ガス(GHG)である二酸化炭素 (CO2)や硫黄酸化物(SOx)の排出削減が求められてい る．SOx, CO2の大幅な削減につながる低硫黄かつ低 炭素(単位発熱量当たり)燃料への転換技術として， MAN Diesel & Turbo は，重油と天然ガスを使用する 電子制御式ガスインジェクションディーゼル機関(以 下，ME-GI 機関1)2))を開発し，140 台以上の受注実績 がある．
低環境負荷の舶用代替燃料として，メタノール，エ タノール，LPG，DME (Dimethyl Ether)といった低 引火点燃料(LFL Fuel: Low Flush point Liquid Fuel， 以下LFL 燃料)も注目されており，これら LFL 燃料に 対応した機関として, 電子制御式リキッドガスインジ ェクションディーゼル機関(以下，ME-LGI 機関1))の 開発が進められた． 三井造船(株)，(株)商船三井，南日本造船(株)の 3 社 では，メタノール焚きME-LGI 機関とその関連システ ムの開発ならびに検証を実施した．また，機関および メタノール供給装置の安全性の検討については国土交 通省の「次世代海洋環境関連技術開発支援事業」に採 択され，一般財団法人日本海事協会との共同研究の一 環としても実施した．現在，3 台のメタノール焚き ME-LGI 機関の製造および陸上での実証運転を完了 し，就航船での確認を行う段階となった． 本稿では，メタノール焚き ME-LGI 機関の開発経 緯および実証運転の結果について紹介する． 2. ME-LGI 機関のコンセプト ME-GI 機関同様，ME-LGI 機関は電子制御式低速 ディーゼル機関に二次燃料（代替燃料）関連部品を追 加することによって，重油での運転と二次燃料での運 転の両方を可能とした二元燃料機関である．燃費特性 の優れるディーゼル燃焼方式を採用しており，二次燃 料での運転の際は少量の重油をパイロット燃料として 噴射することで着火の安定性を得ている．このため， シリンダカバーには重油燃料用と二次燃料用の2 種類 の燃料噴射弁が搭載される． ME-GI 機関との相異は二次燃料として LFL 燃料を 使用する点であり，ME-GI 機関では高圧化したガスを コモンレール方式で供給し噴射するのに対し， ME-LGI 機関では比較的低圧で液化し易い LFL 燃料
メタノール焚き ME-LGI 機関の完成
＊‐ME-LGI の世界初号機の陸上運転まで
大津 正樹＊＊ 島田 一孝＊＊ 村上 高弘＊＊ 加藤 寿子＊＊Completion of Methanol-fuelled ME-LGI Engine -Process until Shop Testing of the World’s First Model By Masaki Ohtsu, Kazutaka Shimada, Takahiro Murakami, Hisako Kato
In maritime transportation, one of the ways to comply with regulations on sulfur content requirements is to use sulfur-free gas or low flashpoint fuels. For this reason, the ME-GI that uses LNG as the main fuel was developed, and then its commercial success led to the development of the ME-LGI that can use methanol as well. The core technology of the ME-LGI, developed by MAN Diesel & Turbo, is a booster injection valve which allows methanol to be compressed inside the valve. Another key element for the ME-LGI was how to develop an overall safety concept of the engine, and in this regard, elaborate joint work has been done by the ship owner of Mitsui O.S.K. Lines, Minaminippon Shipbuilding, the engine manufacturer of Mitsui Engineering & Shipbuilding and the coordinator of Nippon Kaiji Kyokai (ClassNK). After going through this process, the ME-LGI has been produced, tested at a workshop and installed on ships. ＊原稿受付 平成 28年 8月 15日． ＊＊正会員 三井造船㈱（玉野市玉3-1-1）．
メタノール焚き ME-LGI 機関の完成
＊- ME-LGI の世界初号機の陸上運転まで
大 津 正 樹＊＊ 島 田 一 孝＊＊ 村 上 高 弘＊＊ 加 藤 寿 子＊＊の特性を活かし，低圧のまま液体として主機関へ供給 し，液体で噴射する形態を採用している．二次燃料噴 射に際し，ME-LGI 機関では省スペース化も兼ねて， 燃料昇圧機能を持つ燃料弁(Fuel Booster Injection Valve: FBIV)を採用している．FBIV は次世代機関で の重油燃料噴射弁としてMAN Diesel & Turboで開発 された技術であり，ME-LGI 機関では新たに LFL 燃 料の使用を想定した改造を加えたものを使用している． 3.ME-LGI 機関 システム概要 3.1 船体側 LGI 関連機器 図1 に LGI システムの概要を示す．船体側に追加さ れる主要機器は，メタノールサービスタンク，LFSS (Low flash point liquid Fuel Supply System), FVT (Fuel Valve Train)の主に 3 つであり，メタノールサー ビスタンクには主機関で燃料として使用するメタノー ルを，船体のストレージタンクより移送して貯蔵する． LFSS はポンプや熱交換器を持つユニットであり，タ ンクから供給されたメタノールを 1MPa に昇圧して 主機関へ圧送する (図 2)．FVT は主機関と LFSS の間 に設置されるバルブユニットであり，メタノール運転 終了時にFVT 上のメタノールラインに設けられる 2 つのブロックバルブが閉じることで主機関へのメタノ ール供給を遮断する．また，FVT には窒素タンクより 接続される窒素ラインがあり，後述する主機関および LFSS のパージ実施時の窒素供給を制御する(図 3)． 図1 LGI システム概要 図2 メタノール供給システム(LFSS) 図3 バルブユニット(FVT) 3.2 主機関側 LGI 関連機器 主機関側の LGI 関連機器は主にシリンダカバー周 辺に集中し，各シリンダにはFBIV やメタノール噴射 を制御するためのブロック類が追加される(図 4，図 5， 図6)． 前述のとおり，FBIV は重油用燃料噴射弁に加えて シリンダカバーに追加される．FBIV に供給された約 1MPa のメタノールは，作動油で駆動されるプランジ ャにより昇圧され，55MPa でシリンダ内に噴射され る(図 6 上)．また，FBIV 内ではメタノールが作動油 ラインへ漏れ出ることを防止するため，摺動部である プランジャとスピンドルに20MPa 程度のシーリング オイルを供給しており，更にこれはメタノールの潤滑 性の低さを補う役割も担う．また，FBIV 内での突発 的なメタノールの蒸発を防止するため，クーリングオ イルも循環され(図 6 中)，これらシーリングオイルお よびクーリングオイルは図1 に示すクーリング&シー リングオイルユニットより各シリンダのFBIV へ供給 される．尚これら油として，オイルユニットにはシス テム油が供給される．更に，安全機構としてFBIV 内 のメタノールを外部に排出する機能があり，図6 下に 示すパージコントロールオイルを供給し，逆止弁とし ての役割を持つ吸入弁を強制的に開くことで外部へ排 出することができる．尚，シーリングオイル，クーリ ングオイル，パージコントロールオイルはメタノール を使用するため，重油用に開発されたFBIV に対して 新たに追加された機能である． 図4 ME-LGI 機関シリンダカバー周辺レイアウト
図5 ME-LGI 機関シリンダカバー 図6 メタノール噴射弁(FBIV)各断面図 上：メタノールライン，中：クーリングオイル/シーリング オイルライン，下：パージコントロールオイルライン FBIV へのメタノール供給および噴射制御のための 作動油供給はシリンダカバー付きのブロックにて制御 されている．メタノールと作動油の接触を避けるため， ブロックは作動油制御を行う LGI 油圧制御ブロック とメタノール供給制御を行うメタノールブロックに分 かれている(図 5)．各シリンダのメタノールブロックは チェンパイプと呼ばれる配管で数珠繋ぎとなり，図4 に示すように一端のシリンダに供給されたメタノール は，このチェンパイプを通して隣接するシリンダへ供 給されていく．また，上記2 つのブロック下方にはパ ージブロックが設置され，メタノール運転終了時には FBIV，ブロック，配管内のメタノールがこのブロッ クを介してドレンラインへ排出される． 3.3 安全性 メタノールは人体に有害であり，かつ引火性の高い 燃料であるため，安全性を考慮したシステムおよび制 御設計が必要である． 構造面では，機関室内のメタノール配管に二重管構 造を採用することで漏洩を防止しており(図 1)，二重管 の内外管間のアニュラースペースにはHC センサによ るメタノール漏洩監視機能や，ファンによる換気機能 を持たせることで安全性を高めている．また，FVT か ら主機関へのメタノール供給配管や主機関からのドレ ン配管は全て下り勾配を持たせることでメタノールが 滞留することを防止している． 制御面では，メタノール運転中にメタノール系統に 異常が発生した際はメタノール運転を停止し，即座に 重油運転へ切り替えるシーケンスを適用しており，更 にメタノール運転停止時には機関室内の配管や機器中 のメタノールを自重により下方のドレンラインへ排出 し，次いで窒素でメタノールラインをパージすること で完全にメタノールを排出し，機関室をメタノールフ リーの状態とする．また，メタノール運転開始前には メタノールラインの自動耐圧試験実施によりシステム の健全性を確認するシーケンスを適用している． 主機関側だけでなくLFSS においても同様に安全性 を考慮しており，LFSS 停止の際は自動でパージを行 うことでシステム内のメタノールを排出する機能を持 たせている． 4. プロジェクトについて 本開発プロジェクトは限られた期間内で開発および 商用機の製造を行うため， 4 つのマイルストーンを設 定した．開発の課題は，メタノール噴射システムの確 立(メタノール利用に合わせた FBIV 改造)と安全性を 考慮したシステム設計であった．以下にその詳細を紹 介する． 4.1 プロジェクトマイルストーン 4.1.1 FBIV 単独試験(Stage1) 第1 ステージの課題は，開発の課題の一つであるメ タノール噴射システムの確立であり，メタノール仕様 に改造したFBIV の単独水噴射試験を MAN Diesel & Turbo にて進めた．検証内容としては作動油によるメ タノール噴射機能や，メタノール仕様として新たに追 加したシール機能やパージ機能などの確認であり，こ のうちシール機能に関しては，メタノールを模擬した 水がシーリングオイルや作動油ドレンラインに混入し ないように，シーリングオイルラインやメタノールラ インの構造変更，シーリングオイル圧の調整などを実 施した．
4.1.2 単気筒での燃焼試験(Stage2)
Stage2 では LGI システムの作動確認と燃焼試験が 主な課題であった．試験実施に向け，MAN Diesel & Turbo テストエンジンにメタノール供給システム(メ タノールサービスタンク，LFSS，FVT)を設置し，ま た4 気筒中の 1 気筒をメタノール焚きに換装した．シ ステム作動確認はメタノールラインに適用する二重管 のパージ機能や換気機能の確認から始まり，次いでメ タノール供給システムの作動確認を水での運転にて実 施した．システムの確認は概ね良好であり，その後燃 焼試験を実施した．メタノールはセタン価が低く，自 己着火し難いことが懸念されていたが，パイロット噴 射により安定的に燃焼することを確認できた．燃焼試 験では更にアトマイザ噴孔径や噴射圧による燃焼への 影響を確認し，実機反映のための基礎データを得た． 4.1.3 三井造船(株)テストエンジンでの検証(Stage3) Stage3 はオペレーションを含めた LGI システムの 検証および安全性の検証が課題であり，三井造船(株) のテストエンジン 4S50ME-T にてメタノール運転を 実施した(図 7)．このためテストエンジンにはメタノー ル供給装置を設置し，4 気筒全てをメタノール焚きへ 換装した．設備設置完了後，水運転でのLFSS 調整や， メタノール運転危急停止(重油運転への切替)シーケン スの確認を経て，2015 年 4 月初旬に世界で初めてと なる複数シリンダ機関でのメタノール焚き運転を開始 した．テストエンジンには各種計測機器を装着してお り，各負荷で計測したメタノール運転のデータを基に， 後の商用機での運転を考慮したパラメータ調整やアト マイザの最適化を実施した．メタノールの燃焼につい てはMAN Diesel & Turboテストエンジンでの確認同 様，安定的な燃焼を確認でき，燃費に関しては重油と 同等の性能を確認した．またメタノール運転を通して， 重油運転・メタノール運転間の切替シーケンスの確認 など，安全性を含むシステムの検証を実施し，アトマ イザ交換などの際にはFBIV 取外等のメンテナンス性 を確認することもできた． 図7 LGI 仕様テストエンジン 4S50ME-T9.2 玉野事業所 4.1.4 実機陸上運転(Stage4) Stage4では三井造船(株)テストエンジンでの運転経 験を基にした実機7S50ME-B9.3 でのシステム最終確 認を目標とした．2015 年 5 月，メタノール運転を開 始し，まずは 100%負荷までの運転が可能であること を確認した．そしてシステム最終確認として，窒素消 費量やシーリングオイル消費量の検証，パイロットオ イル量の計測を行い，更なる調整としてパラメータ調 整やソフト修正などを実施した(図 8)． 6月にはME-LGI完成披露としてレセプションを実 施するに至り，重油運転・メタノール運転の切替や， メタノール運転での負荷追従性を披露した(図 9)．その 後，1 番機の陸上公試を実施し，MAN Diesel & Turbo テストエンジンおよび三井造船(株)テストエンジンで の確認と同様，メタノール運転において十分な機関性 能が得られることを確認した．次いで2 番機の陸上公 試を8 月末に実施し，1 番機同様に十分な機関性能が 得られることを確認した．またこの2 番機の公試では シリンダカバー周辺の解放デモンストレーションを実 施し，LGI 関係部品のメンテナンス性について検証し た(図 10)．本プロジェクトの最終号機である 3 番機の 陸上公試を10 月に終え，実機陸上運転を終了した． 図8 ME-LGI 機関初号機 7S50ME-B9.3-LGI 玉野事業所 図9 ME-LGI 機関レセプション 2015 年 6 月玉野事業所
図10 ME-LGI 機関 2 番機陸上公試 シリンダカバー解放 デモンストレーション実施 2015 年 8 月 玉野事業所 4.2 安全性の確立 前述のとおり，本ME-LGI 機関では燃料としてメタ ノールを使用するため，安全性の確立も大きな課題の 1つであった．このため，(株)商船三井，南日本造船(株)， 三井造船(株)，MAN Diesel & Turbo らと共同で HAZID (Hazard Identification)，FMECA (Failure Mode Effects and Criticality Analysis)，HAZOP (Hazard and Operability Study)を実施した．まずは システムの初期設計時にHAZID を行い，50 以上のリ スクを洗い出した．これを基に主機関側，船体側の設 計を進め，その後FMECA 実施により更なるリスク検 討を行った． 5. 陸上での実証運転結果 三井造船(株)ではテストエンジン，商用機を含め計 4 台の陸上実証運転を実施し，下記の結果を得た． 5.1 機関性能 メタノール運転では，4 台の何れの機関においても 重油と同様の機関出力が得られることを確認し，さら にNOx および燃料消費率の低下を各機関負荷にて確 認した(図 11)． 5.2 制御関係 テストエンジンを含めた陸上試験を通して，メタノ ール供給装置および主機関側のメタノール運転制御の 確認を行った．運転自体は正常に行われることを確認 したが，更なる機能性向上や安全性向上を図るため制 御ソフトの改良を続け，安全に関してはメタノール運 転前の FBIV 健全性確認シーケンス(スピンドル固着 検知)の追加等が実施された．これらの改良を経た制御 ソフトは，2016 年 3 月に三井造船(株)テストエンジン にて型式承認試験を受けることとなった．型式承認試 験では ME-LGI 制御ソフトの安全性に関係する部分 の確認(異常時のメタノール運転停止および重油運転 への切替等)が主であり，MAN Diesel & Turbo の主催 で2 日間に渡って実施された． 5.3 システム・LGI 関連機器 メタノール供給を担うメタノールサービスタンク， FVT，LFSS については概ね問題無く運転が行えるこ とを確認し，更なる改良としてLFSS でのパージ窒素 消費量削減対策のためのソフト改良等を実施した． 図11 ME-LGI 機関 燃費および NOx 排出量 図12 ME-LGI 型式承認試験 2016 年 3 月玉野事業所 6. まとめ 本プロジェクトでは，舶用2 ストローク低速ディー ゼル機関において LFL 燃料であるメタノールを代替 燃料として使用する二元燃料機関(ME-LGI 機関)の開 発および商用機の製造を実施し，陸上での実証試験を 完了した．そして現在は，就航船での信頼性および安 全性の検証する段階に来ている(図 13，図 14)． ME-LGI 機関は環境面でのメリットだけではなく， 高圧ガスを取り扱うME-GI 機関と比較して，低圧液 体での二次燃料供給が可能であることでイニシャルコ ストが低いというメリットもある．今後の更なる利用 拡大のため実績を積んで行きたいと考える．
謝辞 今回，ME-LGI 機関の開発を実施し，「メタノール 焚きME-LGI 機関の完成」としてマリンエンジニアリ ングオブザイヤーを受賞することができたのは，(株) 商船三井殿，南日本造船(株)殿，一般財団法人日本海 事協会殿をはじめ，多くの関係者より多大なるご支援 を頂いた結果である．この場をお借りして関係者全て の方々に深く感謝を申し上げます． メタノールを利用した本機関及びメタノール供給装 置の安全性検討は，国土交通省の「次世代海洋環境技 術開発支援事業」に採用され，日本海事協会との共同 研究の一環としても実施しています．
図13 7S50ME-B9.3-LGI 機関搭載船 TARANAKI SUN
図14 メタノール運搬船 TARANAKI SUN 内 ME-LGI 機関 参考文献 1) 島田，村上， 日マリ学誌, 51-3(平 28-5) 2) 田渕，渕上，難波，和田，辻， 日マリ学誌, 51-2(平 28-2) 著者紹介 姓 名 大津 正樹 日本マリンエンジニアリング学会 正会員 1949 年生． 三井造船㈱． 東京大学産業機械工学科 姓 名 島田 一孝 日本マリンエンジニアリング学会 正会員 1970 年生． 三井造船㈱． 広島大学大学院工学研究科 姓 名 村上 高弘 日本マリンエンジニアリング学会 正会員 1972 年生． 三井造船㈱． 広島大学大学院工学研究科 姓 名 加藤 寿子 日本マリンエンジニアリング学会 正会員 1988 年生． 三井造船㈱． 九州大学大学院環境エネルギー工学専攻
